用于鋼軌焊接接頭補強的環氧類膠粘劑研制與應用

趙升龍，劉清方，梁 濱

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

1 前言

環氧樹脂膠粘劑因具有優異的粘接性、化學穩定性、機械強度等特性，在結構膠粘劑領域占有重要的位置，在各行業發揮著重要作用。聚氨酯是指分子中含有一定數量的氨基甲酸酯基團的化合物，是一類性能優異的高分子材料，用聚氨酯改性環氧樹脂可在一定程度上提高膠粘劑的抗沖擊強度，改善剝離強度低、易開裂等缺陷，從而獲得既有一定韌性又有較高強度的結構膠粘劑[3-8]。

為滿足軌道交通部門的需求，以聚氨酯改性環氧樹脂為雙組分膠粘劑的甲組分，通過試驗選擇帶苯環的改性脂肪胺和促進劑為乙組分,最終研制成一種可室溫固化的高強度結構膠粘劑SY-TG3[9-11]。

圖1 膠接補強的焊接接頭示意圖

2 實驗原材料、試樣及測試內容

2.1 原材料

實驗原材料為環氧樹脂E-51，藍星；聚氨酯類改性劑P1，自制；胺類固化體系，自配；填料，市售。

2.2 膠接試樣的制備

（1）剪切試樣。被粘物為5 mm厚工具鋼，或1.6 mm厚進口2024T3鋁合金，或2 mm 厚國產2A12鋁合金；鋼試樣表面經噴砂處理，鋁合金表面經磷酸陽極化處理。

（2）浮輥剝離試樣。被粘物薄試片為0.5 mm的進口2024T3（或國產2A12）鋁合金，厚試片為1.6 mm厚進口2024T3（或2 mm 厚國產2A12）鋁合金；鋁合金表面經磷酸陽極化處理。

（3）固化條件。為25 ℃固化7天或60 ℃固化2 h。

2.3 測試內容

（1）剪切性能。按GB 7124-1986 《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法（金屬對金屬） 》測試。

穩定性提高：由一個環路化成三個環路，三個環路獨立運行互不干擾，末端的變化不會影響到主機（傳統的一個環路末端變化一定會影響到主機，三個小環的末端變化影響到主機的概率變小。）。

（2）剝離性能。按GB/T 7122-1996《高強度膠粘劑剝離強度的測定浮輥法》測試。

（3）適用期。按GB 7123-1986《膠粘劑適用期的測定方法》測試。

3 實驗分析

3.1 聚氨酯用量對膠粘劑性能的影響

3.1.1 聚氨酯用量對膠粘劑粘度的影響

環氧樹脂膠粘劑改性效果與改性劑的用量有很大的關系，配方研究中主要研究了聚氨酯改性劑用量對膠粘劑的粘度和膠接性能的影響，圖2列出了20 ℃、23 ℃和25 ℃ 3種不同溫度下膠粘劑的粘度隨聚氨酯改性劑用量變化的曲線。

從圖2中可見，隨著聚氨酯改性劑用量的增加，膠粘劑的粘度逐漸增加，以20 ℃時的粘度為例，膠粘劑的粘度在改性劑含量為0時較小，而在聚氨酯含量為30%時則增加到1 600 Pa · s，此時攪拌和涂膠已很困難；此外，同一配方的膠粘劑隨著溫度升高粘度下降，這符合高分子材料的流變特性。

圖2 聚氨酯改性劑含量與環氧膠粘劑的粘度關系

3.1.2 聚氨酯用量對膠粘劑力學性能的影響

不增韌的環氧樹脂膠粘劑一般較脆，不能收獲好的力學性能，但也不是改性劑的加入量越多膠粘劑的力學性能就越高，需要通過力學性能試驗找到合適的加入量。表1列出了膠粘劑的力學性能隨聚氨酯改性劑含量的變化值。

從表1可以看出，未加聚氨酯改性劑時，膠粘劑的剪切強度和剝離強度都很低，不能滿足使用要求。隨著聚氨酯改性劑用量增加，膠粘劑的膠接性能逐漸提高，而膠粘劑的浮輥剝離強度在聚氨酯用量為30%時較用量為25%時有所下降，聚氨酯用量為25%時膠粘劑的剪切強度和剝離強度最佳。結合圖2膠粘劑粘度變化分析，聚氨酯用量為25%時膠粘劑的粘度適中，配制的膠粘劑具有一定的流動性，涂抹膠粘劑時既能流動浸潤被粘物表面，也不會造成嚴重的流淌現象，以致于造成膠層缺膠。因此，最終配方確定聚氨酯改性劑用量為25%，命名為SY-TG3膠粘劑[12-15]。

表1 不同聚氨酯用量的環氧樹脂膠粘劑膠接性能

3.2 操作溫度對SY-TG3膠粘劑適用期的影響

雙組分膠粘劑配制混合后經一段時間開始凝膠，此時無法進行膠接操作，膠粘劑從混合到凝膠的這段時間稱為適用期。本實驗配制了100 g SYTG3膠粘劑，在20 ℃下測試其凝膠時間為30 min，說明20 ℃下有30 min的操作適用期。

使用流變儀在不同溫度下測試粘度隨時間變化的曲線如圖3所示?？梢钥闯?，溫度越高膠粘劑粘度隨時間增加就越快，膠粘劑的凝膠時間就越短，膠粘劑的適用期也越短。

3.3 不同固化條件對 SY-TG3 膠粘劑力學性能的影響

用于軌道交通鋼軌傷損修復的膠粘劑要求既可在常溫不加熱環境固化，也可加溫快速固化，以滿足不同現場條件的使用要求。表2列出了SY-TG3膠粘劑在固化溫度20 ℃條件下固化1天、3天、7天和60 ℃條件下固化1 h、2 h后的力學性能。

從表2可見，經固化溫度20 ℃固化1天SY-TG3膠粘劑膠接性能較低，經20 ℃固化3天與固化7天的性能基本一致；提高固化溫度至60 ℃時，經2 h固化后，與20 ℃固化相比，膠粘劑的剪切強度和剝離強度都較高，這是由于加溫固化使膠粘劑的交聯密度更高，固化更完全；20 ℃固化和60 ℃固化2種工藝固化后的SY-TG3膠粘劑都具有較高的剪切強度和剝離強度，說明SY-TG3膠粘劑既適合常溫不加熱環境固化，也可加溫快速固化。

3.4 不同測試溫度對 SY-TG3膠粘劑力學性能的影響

鋼軌通常暴露在野外，其焊縫應能適用于嚴冬季節的北方和盛夏季節的南方，即應能在-55～70 ℃ 的溫度范圍使用。表3列出不同溫度下SY-TG3膠粘劑的膠接性能。

圖3 不同溫度下SY-TG3膠粘劑粘度-時間曲線

從表3中可以看出，-55 ℃和70 ℃測試的剝離強度比23 ℃測試的剝離性能低；-55 ℃測試的剪切強度比23 ℃測試的剪切強度更高；70 ℃測試的剪切強度同23 ℃測試的剪切強度相比有比較明顯的下降，但仍然可達18.7 MPa，滿足結構膠接的強度要求。分析表明，SY-TG3膠粘劑可在-55～70 ℃ 的溫度范圍使用。

3.5 不同老化條件對 SY-TG3 膠粘劑力學性能的影響

將用SY-TG3膠粘劑膠接的剪切試樣和剝離試樣放入人工海水和潤滑油2種介質中，室溫浸泡1個月，以及在55 ℃、相對濕度100%條件下濕熱老化1個月，然后測試其性能，結果列于表4中。

從表4可見，用SY-TG3膠粘劑制備的膠接試樣在不同條件老化后性能都有所下降，濕熱老化后的性能下降最大，潤滑油浸泡后的性能下降程度較?。坏珴駸崂匣蟮募羟袕姸热赃_到29.2 MPa，剝離強度達到5.07 kN/m，滿足結構膠接的要求，表明SY-TG3膠粘劑具有較好的的耐介質性能和耐濕熱老化性能。

表2 SY-TG3膠粘劑在不同條件固化后的力學性能

表3 SY-TG3膠粘劑在不同溫度下膠接性能

表4 SY-TG3膠接試樣在不同條件中老化1個月后膠接性能

3.6 貯存時間對 SY-TG3 膠粘劑力學性能的影響

將SY-TG3膠粘劑在經過一段時間常溫貯存后，進行常溫剪切強度的測試，結果列于表5。從表5可見，該膠粘劑在常溫下貯存1年前后的剪切強度變化不大，說明該膠粘劑在常溫至少具有1年的貯存期。

表5 SY-TG3膠粘劑室溫貯存1年前后的剪切強度 MPa

4 用 SY-TG3 膠粘劑補強的焊接接頭整體剪切和彎曲疲勞檢驗

采用SY-TG3膠粘劑在工廠條件下制成預防鋼軌焊縫斷裂的補強焊接接頭，圖4為其中1個正在固化過程中的補強鋼軌焊接接頭。將其分別送到中國鐵道科學研究院集團有限公司金化所和國家鐵路產品監督檢驗中心鐵道建筑檢驗站進行彎曲疲勞檢驗和整體剪切檢驗。彎曲疲勞檢驗參照TB/T 3066-2002《異型鋼軌技術條件》技術要求進行，結果見表 6。整體剪切檢驗參照TB/T 2975-2018《膠接絕緣鋼軌技術條件》進行，結果見表7[16-17]。

從表6可見，采用SY-TG3膠粘劑補強的鋼軌焊接接頭經252萬次疲勞后鋼軌及粘接魚尾夾板均未出現斷裂或開裂，結構完好；彎曲疲勞性能滿足TB/T 3066-2002《異型鋼軌技術條件》技術要求的規定。從表7可見，采用SYTG3膠粘劑補強的鋼軌焊接接頭整體剪切力達到了3 200 kN以上，達到了TB/T 2975-2018《膠接絕緣鋼軌技術條件》規定的帶螺栓固定的鋼軌膠接絕緣接頭的技術要求。檢驗結果表明，采用SY-TG3膠粘劑可以制造出滿足技術標準要求的預防鋼軌焊縫斷裂的補強焊接接頭。

圖4 用SY-TG3膠粘劑補強的焊接接頭

表6 補強焊接接頭疲勞檢驗結果

表7 補強焊接接頭整體剪切檢驗結果 kN

5 結論

（1）SY-TG3膠粘劑具有較好的力學性能、工藝性能、耐介質性能、耐濕熱老化性能和貯存性能等，滿足軌道交通部門對鋼軌焊接接頭補強膠粘劑的要求。

（2）在工廠采用SY-TG3膠粘劑制備的預防鋼軌焊縫斷裂的補強焊接接頭整體剪切和彎曲疲勞性能滿足鐵路相關標準的要求，表明SY-TG3膠粘劑適用于鋼軌焊接接頭的補強和傷損修復。